在电源及电机控制中常用到过流保护功能，这需要对电流进行采样。 同时，如果用单片机实现检测电流进行保护的话需要消耗大量CPU时间，因此我用硬件电路设计了一种带自锁功能的过流保护模块，这对于过流保护可以实现模块化，方便使用。 该模块采用ACS712霍尔传感器采集电流，可将正负过流保护值可以分开来设定，将输出转为0-3.3V的电压，方便DSP采样，最后绘制了PCB，制作了出来。 01电流采样电路的设计 采样电路的比较 电流采样电路通常有“高（压）端电流采样”和“低（压）端电流采样”和“霍尔传感器采样”三种采样电路，如下图所示，给出高端和低端两种采样电流形式。 低端电流采样 高端电流采样 1 高端电流检测具有如下特点： 优点：可以检测区分负载是否短路、无地电平干扰 缺点：共模电压高，使用非专用分立器件设计较复杂、成本高、面积大 2 低端电流检测具有如下特点： 优点：共模电压低，可以使用低成本的普通运算放大器 缺点：检测电流电阻的引入地电平干扰，电流越大地电位干扰越明显，有时至会影响负载 3 霍尔传感器采样具有如下特点： 优点：对采样信号进行隔离，适合大功率场合 缺点：易受到电磁干扰的作用 本设计考虑到通用型，同时整个系统电流采样保护都与控制部分隔离的情况，采用霍尔电流传感器ACS712进行电流采样。 02 转换为0-3v输出信号调理电路的设计 ACS712采用单电源5V供电，输出具有很好的线性度，如下图所示。 ACS712输出电压与检测的电流关系 可以看出，当检测电流为0A时，输出2.5V，当电流为+5A时输出电压3.5V，当电流为-5V时输出为1.5V，具有很高的线性度。但是通常DSP的AD采样量程时0-3.3V的，这就需要运行进行调理，转换为0-3.3V之间的电压。 （注意：由于运放是单电源5V供电，因此需要用轨对轨运放，如LMV358。） 由于ACS712输出带载能力有限，通常采用一级电压跟随提高带载能力。之后在后级先用电阻分压，再送入同相比较端，同相放大一倍。分压电阻R2、R3需要先将0-5V的电压分为0-1.5V的电压，因此电阻比为3：7。在后级同相比例放大两倍即为0-3V之间的电压值。电路如下图所示： 输出调理电路 调理电路仿真 03比较及锁存保护电路的设计 本设计的重点在于当出现过流后能自动切断输出，并保持切断的状态。这就需要对电流信号进行比较和对输出信号进行锁存。 本设计考虑到正负过流保护值可能不同，同时触发器通常有两路输入输出，因此设计了两路保护电路，通过按键进行复位。 锁存及复位电路的设计 下图为比较和锁存部分电路，用到D触发器74HC74和电压比较器。 74HC74是一种双D型触发器，有设置和重置引脚，正脉冲触发。此处直接用运放当作比较器用，需要注意的是运放通常是推挽输出，比较器是集电极开路输出，若换做比较器的话，需要加上拉电阻，可以实现“线与”。 比较和锁存电路图 74HC74的控制逻辑如下表所示，本次设计用到的小表中黄色强调部分的逻辑。当电流小于设定的过流保护值时，比较器输出为低电平。 一旦出现过流，比较器输出高，产生上升沿到74HC74的CP端，数据位的高电平被锁存到输出端Q，反相输出端 输出为低电平。 74HC74逻辑图 当复位按键被按下时， 为低电平有效，表现为表中绿色部分逻辑，输出端Q为低电平，与保护时逻辑反相。 以上控制部分逻辑通过Multisim进行了仿真，其中所有的模拟量给的是通过电阻分压给的，仿真电路如下：其中R1为模拟ACS712的输出，R4为负过流保护设定值，R5为正过流保护设定值。 控制部分逻辑仿真电路图 外部控制信号输入 为了方便DSP/MCU控制继电器，如下电路实现了控制信号和两路过流信号的“或”逻辑运算，通过Multisim仿真可以看出，只要任意开关闭合（被置为高电平），输出变为低电平。 图4-5 外部控制端逻辑图及Multisim仿真 04继电器驱动及指示部分设计 下图为P沟道MOSFET驱动继电器电路图，由于74HC74输出驱动能力有限，输入输出电流只有20mA，而继电器通常要求驱动能力为100mA以上。 因此可以通过如下驱动P沟道Mosfet的方法提高带载能力：当SAFE+、SAFE、-SD端都为低电平时，DRIVE端为高电平，Q1的GS端电位为0，MOSFET关断；当DRIVE端为低电平时，MOSFET导通，驱动继电器动作。 继电器及驱动电路图 由于继电器铁芯有电感作用，因此在需要反并联二极管续流。当关断时，二极管导通，提供续流通道。 状态指示部分电路图！
俗话说，运算放大器就是模电的终极目标。运算放大器（Operational Amplifier）是一种能够实现电信号（电压 / 电流 / 功率）放大的器件。不仅仅如此，它还可以作为缓冲器、滤波器、各种运算功能（积分、微分、乘法、对数）等。 运放拥有一对差分输入端（同相 u+ 与反相 u− 电压输入），一个单端输出端 uo，一对供电引脚 V+ 和 V−（大多数时候不画出）。它通过同相 u+ 和反相 u− 电压进行输入，在内部进行比较运算，并通过输出端 uo 放大输出。输出端 uo 输出阻抗为 0，流出的电流由正电源端子 V+ 提供，流入的电流由负电源端子 V− 提供。 当运算放大器工作在 线性区域 的时候，满足关系： uo=Auo(u+−u−) 其中，Auo 称为运算放大器的 开环电压增益（u 代表电压，o 代表 open），一般无穷大。 运放的工作状态 集成运放的电压传输特性如下图所示： 图中分为线性区和非线性区： 工作在线性放大区：斜线的斜率为开环电压增益。 工作在非线性区：即饱和状态，在图中是左右两端的水平线，输出电压为 −Uom（负电源端子 V− 的电压），或 +Uom（等同于正电源端子 V+ 的电压）。 运放的供电 运放的供电方式一般分 单电源 或 双电源。单电源下，V+ 接正电压，V− 接地。双电源一般指 V+ 接正电压，V− 接负电压。不同的供电方式带来了不同的频率性能和输入输出的范围。 除此之外，运放可以工作在正负电源（V+/V−）不对称的情况下（比如 V+ 为 5V，V− 为 -3V），它并不需要知道地的位置，但依然可以正常工作。 运放的轨至轨，指的是输出的电压能达到电源电压。比如，如果是一个非轨对轨的运放，假如供电为 0~5V，输出有可能只能达到 0.7~4.3V，而轨对轨输出则可以 0~5V。 运放的虚短与虚断 虚短 虚短是从电压的角度看的，在负反馈的条件下，正负两个输入端电压基本保持相等，近似于短路（但并不是真正短路），称为虚短。 参考负反馈的电路，可以看到，如果同相输入端电压略高于反相输入端，则负反馈电路会拉高反相输入端电压，直到与同相输入端电压相当；反之，如果同相输入端电压略低于反相输入端，则反相输入端电压也会跟随到此时同相输入端的电压。 虚断 虚断是从电流的角度看的，运放两个输入端输入阻抗很大，流入的的电流只有微安级别，近似为无电流流入也就是断路，称为虚断。 注：运放两个输入端输入阻抗很大，是对于一般情况而言。也有特例，比如电流反馈运放。 常用运放电路 因为运放的开环电压增益无穷大，所以需要通过特殊的电路结构来实现合适的放大效果。 电压跟随器 电压跟随器（也称 Buffer）用于高阻抗信号源和低阻性负载之间的缓冲。 同相放大器 同相放大器输出与输入是同相的，可将信号同相放大。 效果：通过调节 RG 与 RF 的阻值，使 VOUT 与 VIN 呈正比放大的关系。 原理： 因为虚短，所以 V−=VIN 因为续断，所以 V− 端输入电流可忽略不计，所以 IRG=IRF，根据欧姆定律，0–V−RG=V−−VOUTRF，得出 VOUT=VIN(RFRG+1)。 反相放大器 反相放大器输出与输入是反相的，可将信号放大并反转输出。 电压减法器 / 差动放大器 电压减法器 / 差动放大器可放大两个电压之差，抑制共模电压。 电压加法器 电压加法器用于多个电压求和。 低通滤波器 / 积分器 低通滤波器 / 积分器用于对信号的低通滤波，限制信号带宽。 高通滤波器 / 微分器 高通滤波器 / 微分器用于隔离直流信号、放大交流信号。 差分放大器 差分放大器用于从差分或单端信号源驱动差分输入 ADC。 仪表放大器 仪表放大器用于放大低电平差分信号，抑制共模信号。其中，VIN 为两个输入端之间的电压差值 运放的参数 开环电压增益 开环电压增益 Auo 表示运放工作在线性放大区下的放大倍数，用 dB 表示。 失调 / 偏移电压 失调电压 VOS（Input Offset Voltage）有时候也称输入偏置电压。指的是运放输入端为 0V 的条件下，理想运放输出应为零，但实际运放输出不为零，则实际输出电压除以增益得到的等效输入电压称为失调电压。失调电压实际上反映了运放内部的对称性。 失调电压的影响因素有温度（对应失调电压的温漂）、电源波动（对应电源抑制比）。失调电压是直流偏置，会叠加在输出上，如果输出为交流信号，只需考虑叠加后是否会超过供电电压导致信号失真。 我们知道，同相放大器的放大公式是 VOUT=VIN(RFRG+1)，如果考虑失调电压的影响，那么输出为 VOUT=(VIN+VOS)(RFRG+1)。 失调电压温漂 失调电压温漂 TCVOS 表示输入失调电压变化量与温度变化量的比值（芯片工作温度范围内）。 失调电压温漂会导致失调电压发生变化，影响运放输出。 输入失调电流 失调电流 IOS 指当运放输出为零时，两个输入端流入 / 流出直流电流的差值。失调电流受制造工艺的影响。 IOS=IB++IB− 输入偏置电流 偏置电流 IB 指当运放输出为零时，两个输入端流入 / 流出直流电流的均值。 IB=IB++IB−2 偏置电流受制造工艺的影响，双极型工艺输入偏置电流在 10nA~1μA 之间；场效应管工艺输入偏置电流一般低于 1nA。 可通过在同相端增加匹配电阻，消除误差。 增益带宽积 增益带宽积 GBW（Gain–bandwidth product，GBWP/GBW/GBP/GB）指在某频率（一般为运放增益衰减 -3dB）下开环电压增益与测量频率（带宽）的乘积。 GBW=Auo∗BW 增益带宽积受运放内结电容的频率响应特性影响。在设计中如果发现高频信号增益大小受限，则必须选用 GBP 参数较大的运放。 共模抑制比 共模抑制比 CMRR（Common Mode Rejection Ratio，CMRR）指的是共模电压范围（CMVR）与此范围内的输入失调电压（ΔVOOS）变化的比值，结果用 dB 表示。 CMRR=20log(CMVRVOOS) 共模抑制比受电路对称性（失调电流等参数）、线性工作范围的影响。此参数是为了表示差分放大电路抑制共模信号、放大差模信号的能力。共模抑制比高，意味着可以更加抑制共模输入的干扰信号，提高信噪比。 转换速度 转换速度 SR（Slew Rate，SR）也称压摆率。表示在大信号条件下，输出电压变化的最大速率。 SR=2πfVpk 其中，f 为最大频率（一般为带宽），Vpk 是放大输出信号的最大峰峰值。 转换速度用于评价运放对信号变化速度的适应能力，是衡量运放在大幅度信号作用时工作速度的参数。当输入信号变化斜率的绝对值小于 SR 时，输出电压才按线性规律变化。 其他参数 共模电压范围 CMVR：也称为输入电压范围，如果两个输入端输入电压超出此范围，输出将发生削波或过大非线性现象。 全功率带宽：指在单位增益下测得的最大频率，在此频率下可以得到一个正弦信号的额定输出电压，且压摆率不会导致信号失真。 工作电源电压范围：运放正常工作时，能施加的电源电压范围。 电源抑制比 PSRR：电源电压的变化与输入失调电压的变化之比，结果用 dB 表示。 建立时间：施加一个阶跃输入后，放大器建立至某一预定的精度水平或输出电压百分比所需的时间。 电源电流：放大器空载工作时电源电压需提供的电流。 根据参数选型 根据参数挑选运放，大致有以下步骤： 判断输入信号类型：直流需注意失调电流、失调电压；差分输入需判断是否选择仪表放大器；高频交流信号需注意增益带宽积 GBW 和转换速度 SR。 判断精度要求：需要考虑失调电压、偏置电流、失调电流、共模抑制比对精度影响，判断是否选用高阻运放或精密运放。 判断环境条件：需要注意运放的温度量程，注意温漂，注意电源纹波抑制比 PSRR 的影响。 判断其他要求：通道数、单 / 双电源供电（轨对轨信号失真小，可满幅值输出）、功率大小（高压 / 大电流情况下）。 根据用途选型 按照用途，运放大致分为： 通用运放：对各类要求均不高的器件，注重通用与性价比。 音频运放：超低噪声（高保真）、低功耗（高续航）。 高速运放（GBW≥50MHz）：低功耗、低噪声 SNR。 功率运放：高电压、大电流。 精密运放（Vos<1mV）：低失调电压，或低温漂、低噪声、低功耗、宽带宽。
在写运放的基本电路之前，首先说明一点，运放的“虚短”和“虚断”适用于深度负反馈的场合，这一点非常重要。 运放的“虚短”和“虚断”不可通过单个运放的同向端和反向端来判断，必须要看整个电路结构。 一.基本电路 1.反向放大 根据“虚短”和“虚断”的原理进行分析： （Vin-V-）/R2=（V--Vout)/R3;V-=0V;得到Vout=-R3/R2; 2.同相放大 根据“虚短”和“虚断”的原理进行分析： (0-Vin)/R2=(Vin-Vout)/R3;得到：Vout=(1+R3/R2)*Vin 3.加法电路 根据“虚短”和“虚断”的原理进行分析： (V1-0)/R1+(V2-0)/R2=(0-Vout)/R3; 得到：Vout/R3=-(V1/R1+V2/R2) 在R1=R2=R3的情况下：Vout=V1+V2； 4.积分电路 根据“虚短”和“虚断”的原理进行分析： 0-Vout=C1fidt; i=Vin/R2则Vout=-C1/R2*fVindt;f为积分符号 5.微分电路 根据“虚短”和“虚断”的原理进行分析： C1*dVin/dt=-Vout/R2;则Vout=-R2*C1*dVin/dt; 6.差分电路 根据“虚短”和“虚断”的原理进行分析： 该放大电路的传递函数为： Vout=（R4/(R3+R4)）*（(R1+R2)/R1）*V1-R2/R1*V2; 若R1=R3；R2=R4;则上式可以简化为： Vout=(R2/R1)(V1-V2) 7.检测仪表0-20mA的采样电路 很多控制器接收0-20mA或者4-20mA的电流，电路将此电流信号转换为电压信号，再送到ADC转换为数字信号，上图就是一个典型的这样电路，如果4-20mA的电流通过R1，则会在R1上产生0.4-2V的电压差，由运放“虚断”的特性可知，运放输入端没有电流流过，则流过R2与R3的电流相等；流过R4与R5的电流相等，故有： （V2-Vy）/R4=Vy/R5； （V1-Vx）/R2=（Vx-Vout）/R3； Vx=Vy； V1-V2=0.4——2V； 最后得到Vout=(0.88-4.4)V; 8.将电压转化为电流电路 运放可以将电流信号转换为电压信号，也可以将电压信号转换为电流信号，上图的负反馈没有通过电阻直接反馈，而是串联了三极管Q1的发射极反馈的。 根据“虚短”和“虚断”的原理，则有： （Vi-V1）/R1=（V1-V4）/R8; V2/R3=（V3-V2）/R5； V1=V2； 如果R1=R8；R3=R5；则由以上三式可得到： V3-V4=Vi； 则通过RL的电流为Vi/R6;如果负载小于100K，则通过RL与R6 的电流一样大。
关注回复“加群”，加入硬件电子学习交流群。本期的电路图来自ZLinear的开源数据采集板卡DL8884_RFN，是一个比较常见的电压偏置采集法（电路图已取得作者授权发文）。
ADC的深层的原理在这里就不再展开了，比较枯燥，如有需求的小伙伴，欢迎评论区留言，后期抽一章写一写！ 单片机ADC采回来的数据不准，那今天主要针对实际项目中最有可能的几个原因展开，但主要还是从硬件的角度出发！ （1）参考电压（VREF）不稳定 核桃见过很多产品基本VREF都是直接接VCC，也就是直接和单片机的工作电压共用一个电源，而在一些要求比较高的产品中，是需要单独给VREF供电的。 VREF直接和单片机的工作电源共用带来的问题如下： ①电源噪声直接耦合到VREF，直接影响采样数据 ②电源负载波动影响VREF的稳定性 ③地线干扰 ④温度漂移与电源温升影响 ⑤电源电压精度不足 这个原因的解决方案：使用低噪声，高稳定性的参考电源（实在压成本的可以使用TL431） （2）PCB布局与接地问题 在PCB布局中模拟采集电路最好与数字部分分割开，不能混在一起，因为数字部分很容易影响到模拟部分，模拟信号的走线应该远离高频数字信号，如CLK时钟信号等，且模拟地和数字地需做单点共地处理！ （3）电源噪音干扰 如果板子中有使用DC-DC电源，那就需要留意一下开关电源（DC-DC）的电源纹波了，这个是会影响到ADC，建议使用LDO给ADC单独供电。 （4）ADC采样时间不足 其实这个很好理解，ADC采样需要时间对内部电容充电，若采样时间太短，电容没有充满电，导致电压不稳定。 解决方案：配置延长采样周期，也可以加外部缓冲电路。 （5）外部环境干扰 如果板子集成了其他感性器件的驱动，如电机或者继电器，也很有可能耦合到模拟信号线上。 布局走线时尽量远离感性器件，或者在信号线上添加磁珠或共模扼流圈抑制高频干扰。
技巧一：使用LDO稳压器，从5V电源向3.3V系统标准三端线性稳压器的压差通常是 2.0-3.0V。要把 5V 可靠地转换为 3.3V，就不能使用它们。压差为几百个毫伏的低压降 （Low Dropout， LDO）稳压器，是此类应用的理想选择。图 1-1 是基本LDO 系统的框图，标注了相应的电流。从图中可以看出， LDO 由四个主要部分组成： 1. 导通晶体管2. 带隙参考源3. 运算放大器4. 反馈电阻分压器在选择 LDO 时，重要的是要知道如何区分各种LDO。器件的静态电流、封装大小和型号是重要的器件参数。根据具体应用来确定各种参数，将会得到最优的设计。 LDO的静态电流IQ是器件空载工作时器件的接地电流 IGND。IGND 是 LDO 用来进行稳压的电流。当IOUT>>IQ 时， LDO 的效率可用输出电压除以输入电压来近似地得到。然而，轻载时，必须将 IQ 计入效率计算中。具有较低 IQ 的 LDO 其轻载效率较高。轻载效率的提高对于 LDO 性能有负面影响。静态电流较高的 LDO 对于线路和负载的突然变化有更快的响应。技巧二：采用齐纳二极管的低成本供电系统这里详细说明了一个采用齐纳二极管的低成本稳压器方案。 可以用齐纳二极管和电阻做成简单的低成本 3.3V稳压器，如图 2-1 所示。在很多应用中，该电路可以替代 LDO 稳压器并具成本效益。但是，这种稳压器对负载敏感的程度要高于 LDO 稳压器。另外，它的能效较低，因为 R1 和 D1 始终有功耗。R1 限制流入D1 和 PICmicro® MCU的电流，从而使VDD 保持在允许范围内。由于流经齐纳二极管的电流变化时，二极管的反向电压也将发生改变，所以需要仔细考虑 R1 的值。R1 的选择依据是：在最大负载时——通常是在PICmicro MCU 运行且驱动其输出为高电平时——R1上的电压降要足够低从而使PICmicro MCU有足以维持工作所需的电压。同时，在最小负载时——通常是 PICmicro MCU 复位时——VDD 不超过齐纳二极管的额定功率，也不超过 PICmicro MCU的最大 VDD。技巧三：采用3个整流二极管的更低成本供电系统 图 3-1 详细说明了一个采用 3 个整流二极管的更低成本稳压器方案。我们也可以把几个常规开关二极管串联起来，用其正向压降来降低进入的 PICmicro MCU 的电压。这甚至比齐纳二极管稳压器的成本还要低。这种设计的电流消耗通常要比使用齐纳二极管的电路低。所需二极管的数量根据所选用二极管的正向电压而变化。二极管 D1-D3 的电压降是流经这些二极管的电流的函数。连接 R1 是为了避免在负载最小时——通常是 PICmicro MCU 处于复位或休眠状态时——PICmicro MCU VDD 引脚上的电压超过PICmicro MCU 的最大 VDD 值。根据其他连接至VDD 的电路，可以提高R1 的阻值，甚至也可能完全不需要 R1。二极管 D1-D3 的选择依据是：在最大负载时——通常是 PICmicro MCU 运行且驱动其输出为高电平时——D1-D3 上的电压降要足够低从而能够满足 PICmicro MCU 的最低 VDD 要求。技巧四：使用开关稳压器，从5V电源向3.3V系统供电如图 4-1 所示，降压开关稳压器是一种基于电感的转换器，用来把输入电压源降低至幅值较低的输出电压。输出稳压是通过控制 MOSFET Q1 的导通（ON）时间来实现的。由于 MOSFET 要么处于低阻状态，要么处于高阻状态（分别为 ON 和OFF），因此高输入源电压能够高效率地转换成较低的输出电压。当 Q1 在这两种状态期间时，通过平衡电感的电压- 时间，可以建立输入和输出电压之间的关系。 对于 MOSFET Q1，有下式： 在选择电感的值时，使电感的最大峰 - 峰纹波电流等于最大负载电流的百分之十的电感值，是个很好的初始选择。 在选择输出电容值时，好的初值是：使 LC 滤波器特性阻抗等于负载电阻。这样在满载工作期间如果突然卸掉负载，电压过冲能处于可接受范围之内。 在选择二极管 D1 时，应选择额定电流足够大的元件，使之能够承受脉冲周期 （IL）放电期间的电感电流。 数字连接在连接两个工作电压不同的器件时，必须要知道其各自的输出、输入阈值。知道阈值之后，可根据应用的其他需求选择器件的连接方法。表 4-1 是本文档所使用的输出、输入阈值。在设计连接时，请务必参考制造商的数据手册以获得实际的阈值电平。 技巧五：3.3V →5V直接连接将 3.3V 输出连接到 5V 输入最简单、最理想的方法是直接连接。直接连接需要满足以下 2 点要求：• 3.3V输出的 VOH 大于 5V 输入的 VIH• 3.3V输出的 VOL 小于 5V 输入的 VIL能够使用这种方法的例子之一是将 3.3V LVCMOS输出连接到 5V TTL 输入。从表 4-1 中所给出的值可以清楚地看到上述要求均满足。3.3V LVCMOS 的 VOH （3.0V）大于5V TTL 的VIH （2.0V）且3.3V LVCMOS 的 VOL （0.5V）小于 5V TTL 的VIL （0.8V）。如果这两个要求得不到满足，连接两个部分时就需要额外的电路。可能的解决方案请参阅技巧 6、7、 8 和 13。技巧六：3.3V→5V使用MOSFET转换器如果 5V 输入的 VIH 比 3.3V CMOS 器件的 VOH 要高，则驱动任何这样的 5V 输入就需要额外的电路。图 6-1 所示为低成本的双元件解决方案。在选择 R1 的阻值时，需要考虑两个参数，即：输入的开关速度和 R1 上的电流消耗。当把输入从 0切换到 1 时，需要计入因 R1 形成的 RC 时间常数而导致的输入上升时间、 5V 输入的输入容抗以及电路板上任何的杂散电容。输入开关速度可通过下式计算： 由于输入容抗和电路板上的杂散电容是固定的，提高输入开关速度的惟一途径是降低 R1 的阻值。而降低 R1 阻值以获取更短的开关时间，却是以增大5V 输入为低电平时的电流消耗为代价的。通常，切换到 0 要比切换到 1 的速度快得多，因为 N 沟道 MOSFET 的导通电阻要远小于 R1。另外，在选择 N 沟道 FET 时，所选 FET 的VGS 应低于3.3V 输出的 VOH。 技巧七：3.3V→5V使用二极管补偿表 7-1 列出了 5V CMOS 的输入电压阈值、 3.3VLVTTL 和 LVCMOS 的输出驱动电压。 从上表看出， 5V CMOS 输入的高、低输入电压阈值均比 3.3V 输出的阈值高约一伏。因此，即使来自 3.3V 系统的输出能够被补偿，留给噪声或元件容差的余地也很小或者没有。我们需要的是能够补偿输出并加大高低输出电压差的电路。 输出电压规范确定后，就已经假定：高输出驱动的是输出和地之间的负载，而低输出驱动的是 3.3V和输出之间的负载。如果高电压阈值的负载实际上是在输出和 3.3V 之间的话，那么输出电压实际上要高得多，因为拉高输出的机制是负载电阻，而不是输出三极管。 19种5V怎么转3.3V技巧和电路 电路一点通 2022年03月19日 11:59 听全文 技巧一：使用LDO稳压器，从5V电源向3.3V系统供电 每天中午12:00 电路技术分享，记得来翻 免费资料下载 -戳进来-->电子技术下载资料精选-标准三端线性稳压器的压差通常是 2.0-3.0V。要把 5V 可靠地转换为 3.3V，就不能使用它们。压差为几百个毫伏的低压降 （Low Dropout， LDO）稳压器，是此类应用的理想选择。图 1-1 是基本LDO 系统的框图，标注了相应的电流。从图中可以看出， LDO 由四个主要部分组成：1. 导通晶体管2. 带隙参考源3. 运算放大器4. 反馈电阻分压器在选择 LDO 时，重要的是要知道如何区分各种LDO。器件的静态电流、封装大小和型号是重要的器件参数。根据具体应用来确定各种参数，将会得到最优的设计。 LDO的静态电流IQ是器件空载工作时器件的接地电流 IGND。IGND 是 LDO 用来进行稳压的电流。当IOUT>>IQ 时， LDO 的效率可用输出电压除以输入电压来近似地得到。然而，轻载时，必须将 IQ 计入效率计算中。具有较低 IQ 的 LDO 其轻载效率较高。轻载效率的提高对于 LDO 性能有负面影响。静态电流较高的 LDO 对于线路和负载的突然变化有更快的响应。技巧二：采用齐纳二极管的低成本供电系统这里详细说明了一个采用齐纳二极管的低成本稳压器方案。 可以用齐纳二极管和电阻做成简单的低成本 3.3V稳压器，如图 2-1 所示。在很多应用中，该电路可以替代 LDO 稳压器并具成本效益。但是，这种稳压器对负载敏感的程度要高于 LDO 稳压器。另外，它的能效较低，因为 R1 和 D1 始终有功耗。R1 限制流入D1 和 PICmicro® MCU的电流，从而使VDD 保持在允许范围内。由于流经齐纳二极管的电流变化时，二极管的反向电压也将发生改变，所以需要仔细考虑 R1 的值。R1 的选择依据是：在最大负载时——通常是在PICmicro MCU 运行且驱动其输出为高电平时——R1上的电压降要足够低从而使PICmicro MCU有足以维持工作所需的电压。同时，在最小负载时——通常是 PICmicro MCU 复位时——VDD 不超过齐纳二极管的额定功率，也不超过 PICmicro MCU的最大 VDD。技巧三：采用3个整流二极管的更低成本供电系统 图 3-1 详细说明了一个采用 3 个整流二极管的更低成本稳压器方案。我们也可以把几个常规开关二极管串联起来，用其正向压降来降低进入的 PICmicro MCU 的电压。这甚至比齐纳二极管稳压器的成本还要低。这种设计的电流消耗通常要比使用齐纳二极管的电路低。所需二极管的数量根据所选用二极管的正向电压而变化。二极管 D1-D3 的电压降是流经这些二极管的电流的函数。连接 R1 是为了避免在负载最小时——通常是 PICmicro MCU 处于复位或休眠状态时——PICmicro MCU VDD 引脚上的电压超过PICmicro MCU 的最大 VDD 值。根据其他连接至VDD 的电路，可以提高R1 的阻值，甚至也可能完全不需要 R1。二极管 D1-D3 的选择依据是：在最大负载时——通常是 PICmicro MCU 运行且驱动其输出为高电平时——D1-D3 上的电压降要足够低从而能够满足 PICmicro MCU 的最低 VDD 要求。技巧四：使用开关稳压器，从5V电源向3.3V系统供电如图 4-1 所示，降压开关稳压器是一种基于电感的转换器，用来把输入电压源降低至幅值较低的输出电压。输出稳压是通过控制 MOSFET Q1 的导通（ON）时间来实现的。由于 MOSFET 要么处于低阻状态，要么处于高阻状态（分别为 ON 和OFF），因此高输入源电压能够高效率地转换成较低的输出电压。当 Q1 在这两种状态期间时，通过平衡电感的电压- 时间，可以建立输入和输出电压之间的关系。 对于 MOSFET Q1，有下式： 在选择电感的值时，使电感的最大峰 - 峰纹波电流等于最大负载电流的百分之十的电感值，是个很好的初始选择。 在选择输出电容值时，好的初值是：使 LC 滤波器特性阻抗等于负载电阻。这样在满载工作期间如果突然卸掉负载，电压过冲能处于可接受范围之内。 在选择二极管 D1 时，应选择额定电流足够大的元件，使之能够承受脉冲周期 （IL）放电期间的电感电流。 数字连接在连接两个工作电压不同的器件时，必须要知道其各自的输出、输入阈值。知道阈值之后，可根据应用的其他需求选择器件的连接方法。表 4-1 是本文档所使用的输出、输入阈值。在设计连接时，请务必参考制造商的数据手册以获得实际的阈值电平。 技巧五：3.3V →5V直接连接将 3.3V 输出连接到 5V 输入最简单、最理想的方法是直接连接。直接连接需要满足以下 2 点要求：• 3.3V输出的 VOH 大于 5V 输入的 VIH• 3.3V输出的 VOL 小于 5V 输入的 VIL能够使用这种方法的例子之一是将 3.3V LVCMOS输出连接到 5V TTL 输入。从表 4-1 中所给出的值可以清楚地看到上述要求均满足。3.3V LVCMOS 的 VOH （3.0V）大于5V TTL 的VIH （2.0V）且3.3V LVCMOS 的 VOL （0.5V）小于 5V TTL 的VIL （0.8V）。如果这两个要求得不到满足，连接两个部分时就需要额外的电路。可能的解决方案请参阅技巧 6、7、 8 和 13。技巧六：3.3V→5V使用MOSFET转换器如果 5V 输入的 VIH 比 3.3V CMOS 器件的 VOH 要高，则驱动任何这样的 5V 输入就需要额外的电路。图 6-1 所示为低成本的双元件解决方案。在选择 R1 的阻值时，需要考虑两个参数，即：输入的开关速度和 R1 上的电流消耗。当把输入从 0切换到 1 时，需要计入因 R1 形成的 RC 时间常数而导致的输入上升时间、 5V 输入的输入容抗以及电路板上任何的杂散电容。输入开关速度可通过下式计算： 由于输入容抗和电路板上的杂散电容是固定的，提高输入开关速度的惟一途径是降低 R1 的阻值。而降低 R1 阻值以获取更短的开关时间，却是以增大5V 输入为低电平时的电流消耗为代价的。通常，切换到 0 要比切换到 1 的速度快得多，因为 N 沟道 MOSFET 的导通电阻要远小于 R1。另外，在选择 N 沟道 FET 时，所选 FET 的VGS 应低于3.3V 输出的 VOH。 技巧七：3.3V→5V使用二极管补偿表 7-1 列出了 5V CMOS 的输入电压阈值、 3.3VLVTTL 和 LVCMOS 的输出驱动电压。 从上表看出， 5V CMOS 输入的高、低输入电压阈值均比 3.3V 输出的阈值高约一伏。因此，即使来自 3.3V 系统的输出能够被补偿，留给噪声或元件容差的余地也很小或者没有。我们需要的是能够补偿输出并加大高低输出电压差的电路。 输出电压规范确定后，就已经假定：高输出驱动的是输出和地之间的负载，而低输出驱动的是 3.3V和输出之间的负载。如果高电压阈值的负载实际上是在输出和 3.3V 之间的话，那么输出电压实际上要高得多，因为拉高输出的机制是负载电阻，而不是输出三极管。如果我们设计一个二极管补偿电路 （见图 7-1），二极管 D1 的正向电压 （典型值 0.7V）将会使输出低电压上升，在 5V CMOS 输入得到 1.1V 至1.2V 的低电压。它安全地处于 5V CMOS 输入的低输入电压阈值之下。输出高电压由上拉电阻和连至3.3V 电源的二极管 D2 确定。这使得输出高电压大约比 3.3V 电源高 0.7V，也就是 4.0 到 4.1V，很安全地在 5V CMOS 输入阈值 （3.5V）之上。注：为了使电路工作正常，上拉电阻必须显著小于 5V CMOS 输入的输入电阻，从而避免由于输入端电阻分压器效应而导致的输出电压下降。上拉电阻还必须足够大，从而确保加载在 3.3V 输出上的电流在器件规范之内。技巧八：3.3V→5V使用电压比较器比较器的基本工作如下：• 反相 （-）输入电压大于同相 （+）输入电压时，比较器输出切换到 Vss。• 同相 （+）输入端电压大于反相 （-）输入电压时，比较器输出为高电平。为了保持 3.3V 输出的极性， 3.3V 输出必须连接到比较器的同相输入端。比较器的反相输入连接到由 R1 和 R2 确定的参考电压处，如图 8-1 所示。 计算 R1 和 R2R1 和 R2 之比取决于输入信号的逻辑电平。对于3.3V 输出，反相电压应该置于VOL 与VOH之间的中点电压。对于 LVCMOS 输出，中点电压为： 如果 R1 和 R2 的逻辑电平关系如下， 若 R2 取值为 1K，则 R1 为 1.8K。经过适当连接后的运算放大器可以用作比较器，以将 3.3V 输入信号转换为 5V 输出信号。这是利用了比较器的特性，即：根据 “反相”输入与 “同相”输入之间的压差幅值，比较器迫使输出为高（VDD）或低 （Vss）电平。注：要使运算放大器在 5V 供电下正常工作，输出必须具有轨到轨驱动能力。 技巧九：5V→3.3V直接连接通常 5V 输出的 VOH 为 4.7 伏， VOL 为 0.4 伏；而通常 3.3V LVCMOS 输入的 VIH 为 0.7 x VDD， VIL为 0.2 x VDD。当 5V 输出驱动为低时，不会有问题，因为 0.4 伏的输出小于 0.8 伏的输入阈值。当 5V 输出为高时， 4.7 伏的 VOH 大于 2.1 伏 VIH，所以，我们可以直接把两个引脚相连，不会有冲突，前提是3.3V CMOS 输出能够耐受 5 伏电压。 如果 3.3V CMOS 输入不能耐受 5 伏电压，则将出现问题，因为超出了输入的最大电压规范。可能的解决方案请参见技巧 10-13。技巧十：5V→3.3V使用二极管钳位很多厂商都使用钳位二极管来保护器件的 I/O 引脚，防止引脚上的电压超过最大允许电压规范。钳位二极管使引脚上的电压不会低于 Vss 超过一个二极管压降，也不会高于 VDD 超过一个二极管压降。要使用钳位二极管来保护输入，仍然要关注流经钳位二极管的电流。流经钳位二极管的电流应该始终比较小 （在微安数量级上）。如果流经钳位二极管的电流过大，就存在部件闭锁的危险。由于5V 输出的源电阻通常在 10Ω 左右，因此仍需串联一个电阻，限制流经钳位二极管的电流，如图 10-1所示。使用串联电阻的后果是降低了输入开关的速度，因为引脚 （CL）上构成了 RC 时间常数。 如果没有钳位二极管，可以在电流中添加一个外部二极管，如图 10-2 所示。 技巧十一：一5V→3.3V有源钳位使用二极管钳位有一个问题，即它将向 3.3V 电源注入电流。在具有高电流 5V 输出且轻载 3.3V 电源轨的设计中，这种电流注入可能会使 3.3V 电源电压超过 3.3V。为了避免这个问题，可以用一个三极管来替代，三极管使过量的输出驱动电流流向地，而不是 3.3V 电源。设计的电路如图 11-1 所示。 Q1的基极-发射极结所起的作用与二极管钳位电路中的二极管相同。区别在于，发射极电流只有百分之几流出基极进入 3.3V 轨，绝大部分电流都流向集电极，再从集电极无害地流入地。基极电流与集电极电流之比，由晶体管的电流增益决定，通常为10-400，取决于所使用的晶体管。技巧十二：5V→3.3V电阻分压器可以使用简单的电阻分压器将 5V 器件的输出降低到适用于 3.3V 器件输入的电平。这种接口的等效电路如图 12-1 所示。 通常，源电阻 RS 非常小 （小于 10Ω），如果选择的 R1 远大于RS 的话，那么可以忽略 RS 对 R1 的影响。在接收端，负载电阻 RL 非常大 （大于500 kΩ），如果选择的R2远小于RL的话，那么可以忽略 RL 对 R2 的影响。在功耗和瞬态时间之间存在取舍权衡。为了使接口电流的功耗需求最小，串联电阻 R1 和 R2 应尽可能大。但是，负载电容 （由杂散电容 CS 和 3.3V 器件的输入电容 CL 合成）可能会对输入信号的上升和下降时间产生不利影响。如果 R1 和 R2 过大，上升和下降时间可能会过长而无法接受。如果忽略 RS 和 RL 的影响，则确定 R1 和 R2 的式子由下面的公式 12-1 给出。 公式 12-2 给出了确定上升和下降时间的公式。为便于电路分析，使用戴维宁等效计算来确定外加电压 VA 和串联电阻R。戴维宁等效计算定义为开路电压除以短路电流。根据公式 12-2 所施加的限制，对于图 12-1 所示电路，确定的戴维宁等效电阻 R 应为 0.66*R1，戴维宁等效电压 VA 应为0.66*VS。 例如，假设有下列条件存在：• 杂散电容 = 30 pF• 负载电容 = 5 pF• 从 0.3V 至 3V 的最大上升时间 ≤ 1 μs• 外加源电压 Vs = 5V确定最大电阻的计算如公式 12-3 所示。 技巧十三：3.3V→5V电平转换器尽管电平转换可以分立地进行，但通常使用集成解决方案较受欢迎。电平转换器的使用范围比较广泛：有单向和双向配置、不同的电压转换和不同的速度，供用户选择最佳的解决方案。器件之间的板级通讯 （例如， MCU 至外设）通过 SPI 或 I2C™ 来进行，这是最常见的。对于SPI，使用单向电平转换器比较合适；对于 I2C，就需要使用双向解决方案。下面的图 13-1 显示了这两种解决方案。 模拟3.3V 至 5V 接口的最后一项挑战是如何转换模拟信号，使之跨越电源障碍。低电平信号可能不需要外部电路，但在 3.3V 与 5V 之间传送信号的系统则会受到电源变化的影响。例如，在 3.3V 系统中，ADC转换1V峰值的模拟信号，其分辨率要比5V系统中 ADC 转换的高，这是因为在 3.3V ADC 中，ADC 量程中更多的部分用于转换。但另一方面，3.3V 系统中相对较高的信号幅值，与系统较低的共模电压限制可能会发生冲突。 19种5V怎么转3.3V技巧和电路 电路一点通 2022年03月19日 11:59 听全文 技巧一：使用LDO稳压器，从5V电源向3.3V系统供电 每天中午12:00 电路技术分享，记得来翻 免费资料下载 -戳进来-->电子技术下载资料精选-标准三端线性稳压器的压差通常是 2.0-3.0V。要把 5V 可靠地转换为 3.3V，就不能使用它们。压差为几百个毫伏的低压降 （Low Dropout， LDO）稳压器，是此类应用的理想选择。图 1-1 是基本LDO 系统的框图，标注了相应的电流。从图中可以看出， LDO 由四个主要部分组成：1. 导通晶体管2. 带隙参考源3. 运算放大器4. 反馈电阻分压器在选择 LDO 时，重要的是要知道如何区分各种LDO。器件的静态电流、封装大小和型号是重要的器件参数。根据具体应用来确定各种参数，将会得到最优的设计。 LDO的静态电流IQ是器件空载工作时器件的接地电流 IGND。IGND 是 LDO 用来进行稳压的电流。当IOUT>>IQ 时， LDO 的效率可用输出电压除以输入电压来近似地得到。然而，轻载时，必须将 IQ 计入效率计算中。具有较低 IQ 的 LDO 其轻载效率较高。轻载效率的提高对于 LDO 性能有负面影响。静态电流较高的 LDO 对于线路和负载的突然变化有更快的响应。技巧二：采用齐纳二极管的低成本供电系统这里详细说明了一个采用齐纳二极管的低成本稳压器方案。 可以用齐纳二极管和电阻做成简单的低成本 3.3V稳压器，如图 2-1 所示。在很多应用中，该电路可以替代 LDO 稳压器并具成本效益。但是，这种稳压器对负载敏感的程度要高于 LDO 稳压器。另外，它的能效较低，因为 R1 和 D1 始终有功耗。R1 限制流入D1 和 PICmicro® MCU的电流，从而使VDD 保持在允许范围内。由于流经齐纳二极管的电流变化时，二极管的反向电压也将发生改变，所以需要仔细考虑 R1 的值。R1 的选择依据是：在最大负载时——通常是在PICmicro MCU 运行且驱动其输出为高电平时——R1上的电压降要足够低从而使PICmicro MCU有足以维持工作所需的电压。同时，在最小负载时——通常是 PICmicro MCU 复位时——VDD 不超过齐纳二极管的额定功率，也不超过 PICmicro MCU的最大 VDD。技巧三：采用3个整流二极管的更低成本供电系统 图 3-1 详细说明了一个采用 3 个整流二极管的更低成本稳压器方案。我们也可以把几个常规开关二极管串联起来，用其正向压降来降低进入的 PICmicro MCU 的电压。这甚至比齐纳二极管稳压器的成本还要低。这种设计的电流消耗通常要比使用齐纳二极管的电路低。所需二极管的数量根据所选用二极管的正向电压而变化。二极管 D1-D3 的电压降是流经这些二极管的电流的函数。连接 R1 是为了避免在负载最小时——通常是 PICmicro MCU 处于复位或休眠状态时——PICmicro MCU VDD 引脚上的电压超过PICmicro MCU 的最大 VDD 值。根据其他连接至VDD 的电路，可以提高R1 的阻值，甚至也可能完全不需要 R1。二极管 D1-D3 的选择依据是：在最大负载时——通常是 PICmicro MCU 运行且驱动其输出为高电平时——D1-D3 上的电压降要足够低从而能够满足 PICmicro MCU 的最低 VDD 要求。技巧四：使用开关稳压器，从5V电源向3.3V系统供电如图 4-1 所示，降压开关稳压器是一种基于电感的转换器，用来把输入电压源降低至幅值较低的输出电压。输出稳压是通过控制 MOSFET Q1 的导通（ON）时间来实现的。由于 MOSFET 要么处于低阻状态，要么处于高阻状态（分别为 ON 和OFF），因此高输入源电压能够高效率地转换成较低的输出电压。当 Q1 在这两种状态期间时，通过平衡电感的电压- 时间，可以建立输入和输出电压之间的关系。 对于 MOSFET Q1，有下式： 在选择电感的值时，使电感的最大峰 - 峰纹波电流等于最大负载电流的百分之十的电感值，是个很好的初始选择。 在选择输出电容值时，好的初值是：使 LC 滤波器特性阻抗等于负载电阻。这样在满载工作期间如果突然卸掉负载，电压过冲能处于可接受范围之内。 在选择二极管 D1 时，应选择额定电流足够大的元件，使之能够承受脉冲周期 （IL）放电期间的电感电流。 数字连接在连接两个工作电压不同的器件时，必须要知道其各自的输出、输入阈值。知道阈值之后，可根据应用的其他需求选择器件的连接方法。表 4-1 是本文档所使用的输出、输入阈值。在设计连接时，请务必参考制造商的数据手册以获得实际的阈值电平。 技巧五：3.3V →5V直接连接将 3.3V 输出连接到 5V 输入最简单、最理想的方法是直接连接。直接连接需要满足以下 2 点要求：• 3.3V输出的 VOH 大于 5V 输入的 VIH• 3.3V输出的 VOL 小于 5V 输入的 VIL能够使用这种方法的例子之一是将 3.3V LVCMOS输出连接到 5V TTL 输入。从表 4-1 中所给出的值可以清楚地看到上述要求均满足。3.3V LVCMOS 的 VOH （3.0V）大于5V TTL 的VIH （2.0V）且3.3V LVCMOS 的 VOL （0.5V）小于 5V TTL 的VIL （0.8V）。如果这两个要求得不到满足，连接两个部分时就需要额外的电路。可能的解决方案请参阅技巧 6、7、 8 和 13。技巧六：3.3V→5V使用MOSFET转换器如果 5V 输入的 VIH 比 3.3V CMOS 器件的 VOH 要高，则驱动任何这样的 5V 输入就需要额外的电路。图 6-1 所示为低成本的双元件解决方案。在选择 R1 的阻值时，需要考虑两个参数，即：输入的开关速度和 R1 上的电流消耗。当把输入从 0切换到 1 时，需要计入因 R1 形成的 RC 时间常数而导致的输入上升时间、 5V 输入的输入容抗以及电路板上任何的杂散电容。输入开关速度可通过下式计算： 由于输入容抗和电路板上的杂散电容是固定的，提高输入开关速度的惟一途径是降低 R1 的阻值。而降低 R1 阻值以获取更短的开关时间，却是以增大5V 输入为低电平时的电流消耗为代价的。通常，切换到 0 要比切换到 1 的速度快得多，因为 N 沟道 MOSFET 的导通电阻要远小于 R1。另外，在选择 N 沟道 FET 时，所选 FET 的VGS 应低于3.3V 输出的 VOH。 技巧七：3.3V→5V使用二极管补偿表 7-1 列出了 5V CMOS 的输入电压阈值、 3.3VLVTTL 和 LVCMOS 的输出驱动电压。 从上表看出， 5V CMOS 输入的高、低输入电压阈值均比 3.3V 输出的阈值高约一伏。因此，即使来自 3.3V 系统的输出能够被补偿，留给噪声或元件容差的余地也很小或者没有。我们需要的是能够补偿输出并加大高低输出电压差的电路。 输出电压规范确定后，就已经假定：高输出驱动的是输出和地之间的负载，而低输出驱动的是 3.3V和输出之间的负载。如果高电压阈值的负载实际上是在输出和 3.3V 之间的话，那么输出电压实际上要高得多，因为拉高输出的机制是负载电阻，而不是输出三极管。如果我们设计一个二极管补偿电路 （见图 7-1），二极管 D1 的正向电压 （典型值 0.7V）将会使输出低电压上升，在 5V CMOS 输入得到 1.1V 至1.2V 的低电压。它安全地处于 5V CMOS 输入的低输入电压阈值之下。输出高电压由上拉电阻和连至3.3V 电源的二极管 D2 确定。这使得输出高电压大约比 3.3V 电源高 0.7V，也就是 4.0 到 4.1V，很安全地在 5V CMOS 输入阈值 （3.5V）之上。注：为了使电路工作正常，上拉电阻必须显著小于 5V CMOS 输入的输入电阻，从而避免由于输入端电阻分压器效应而导致的输出电压下降。上拉电阻还必须足够大，从而确保加载在 3.3V 输出上的电流在器件规范之内。技巧八：3.3V→5V使用电压比较器比较器的基本工作如下：• 反相 （-）输入电压大于同相 （+）输入电压时，比较器输出切换到 Vss。• 同相 （+）输入端电压大于反相 （-）输入电压时，比较器输出为高电平。为了保持 3.3V 输出的极性， 3.3V 输出必须连接到比较器的同相输入端。比较器的反相输入连接到由 R1 和 R2 确定的参考电压处，如图 8-1 所示。 计算 R1 和 R2R1 和 R2 之比取决于输入信号的逻辑电平。对于3.3V 输出，反相电压应该置于VOL 与VOH之间的中点电压。对于 LVCMOS 输出，中点电压为： 如果 R1 和 R2 的逻辑电平关系如下， 若 R2 取值为 1K，则 R1 为 1.8K。经过适当连接后的运算放大器可以用作比较器，以将 3.3V 输入信号转换为 5V 输出信号。这是利用了比较器的特性，即：根据 “反相”输入与 “同相”输入之间的压差幅值，比较器迫使输出为高（VDD）或低 （Vss）电平。注：要使运算放大器在 5V 供电下正常工作，输出必须具有轨到轨驱动能力。 技巧九：5V→3.3V直接连接通常 5V 输出的 VOH 为 4.7 伏， VOL 为 0.4 伏；而通常 3.3V LVCMOS 输入的 VIH 为 0.7 x VDD， VIL为 0.2 x VDD。当 5V 输出驱动为低时，不会有问题，因为 0.4 伏的输出小于 0.8 伏的输入阈值。当 5V 输出为高时， 4.7 伏的 VOH 大于 2.1 伏 VIH，所以，我们可以直接把两个引脚相连，不会有冲突，前提是3.3V CMOS 输出能够耐受 5 伏电压。 如果 3.3V CMOS 输入不能耐受 5 伏电压，则将出现问题，因为超出了输入的最大电压规范。可能的解决方案请参见技巧 10-13。技巧十：5V→3.3V使用二极管钳位很多厂商都使用钳位二极管来保护器件的 I/O 引脚，防止引脚上的电压超过最大允许电压规范。钳位二极管使引脚上的电压不会低于 Vss 超过一个二极管压降，也不会高于 VDD 超过一个二极管压降。要使用钳位二极管来保护输入，仍然要关注流经钳位二极管的电流。流经钳位二极管的电流应该始终比较小 （在微安数量级上）。如果流经钳位二极管的电流过大，就存在部件闭锁的危险。由于5V 输出的源电阻通常在 10Ω 左右，因此仍需串联一个电阻，限制流经钳位二极管的电流，如图 10-1所示。使用串联电阻的后果是降低了输入开关的速度，因为引脚 （CL）上构成了 RC 时间常数。 如果没有钳位二极管，可以在电流中添加一个外部二极管，如图 10-2 所示。 技巧十一：一5V→3.3V有源钳位使用二极管钳位有一个问题，即它将向 3.3V 电源注入电流。在具有高电流 5V 输出且轻载 3.3V 电源轨的设计中，这种电流注入可能会使 3.3V 电源电压超过 3.3V。为了避免这个问题，可以用一个三极管来替代，三极管使过量的输出驱动电流流向地，而不是 3.3V 电源。设计的电路如图 11-1 所示。 Q1的基极-发射极结所起的作用与二极管钳位电路中的二极管相同。区别在于，发射极电流只有百分之几流出基极进入 3.3V 轨，绝大部分电流都流向集电极，再从集电极无害地流入地。基极电流与集电极电流之比，由晶体管的电流增益决定，通常为10-400，取决于所使用的晶体管。技巧十二：5V→3.3V电阻分压器可以使用简单的电阻分压器将 5V 器件的输出降低到适用于 3.3V 器件输入的电平。这种接口的等效电路如图 12-1 所示。 通常，源电阻 RS 非常小 （小于 10Ω），如果选择的 R1 远大于RS 的话，那么可以忽略 RS 对 R1 的影响。在接收端，负载电阻 RL 非常大 （大于500 kΩ），如果选择的R2远小于RL的话，那么可以忽略 RL 对 R2 的影响。在功耗和瞬态时间之间存在取舍权衡。为了使接口电流的功耗需求最小，串联电阻 R1 和 R2 应尽可能大。但是，负载电容 （由杂散电容 CS 和 3.3V 器件的输入电容 CL 合成）可能会对输入信号的上升和下降时间产生不利影响。如果 R1 和 R2 过大，上升和下降时间可能会过长而无法接受。如果忽略 RS 和 RL 的影响，则确定 R1 和 R2 的式子由下面的公式 12-1 给出。 公式 12-2 给出了确定上升和下降时间的公式。为便于电路分析，使用戴维宁等效计算来确定外加电压 VA 和串联电阻R。戴维宁等效计算定义为开路电压除以短路电流。根据公式 12-2 所施加的限制，对于图 12-1 所示电路，确定的戴维宁等效电阻 R 应为 0.66*R1，戴维宁等效电压 VA 应为0.66*VS。 例如，假设有下列条件存在：• 杂散电容 = 30 pF• 负载电容 = 5 pF• 从 0.3V 至 3V 的最大上升时间 ≤ 1 μs• 外加源电压 Vs = 5V确定最大电阻的计算如公式 12-3 所示。 技巧十三：3.3V→5V电平转换器尽管电平转换可以分立地进行，但通常使用集成解决方案较受欢迎。电平转换器的使用范围比较广泛：有单向和双向配置、不同的电压转换和不同的速度，供用户选择最佳的解决方案。器件之间的板级通讯 （例如， MCU 至外设）通过 SPI 或 I2C™ 来进行，这是最常见的。对于SPI，使用单向电平转换器比较合适；对于 I2C，就需要使用双向解决方案。下面的图 13-1 显示了这两种解决方案。 模拟3.3V 至 5V 接口的最后一项挑战是如何转换模拟信号，使之跨越电源障碍。低电平信号可能不需要外部电路，但在 3.3V 与 5V 之间传送信号的系统则会受到电源变化的影响。例如，在 3.3V 系统中，ADC转换1V峰值的模拟信号，其分辨率要比5V系统中 ADC 转换的高，这是因为在 3.3V ADC 中，ADC 量程中更多的部分用于转换。但另一方面，3.3V 系统中相对较高的信号幅值，与系统较低的共模电压限制可能会发生冲突。因此，为了补偿上述差异，可能需要某种接口电路。本节将讨论接口电路，以帮助缓和信号在不同电源之间转换的问题。技巧十四：3.3V→5V模拟增益模块从 3.3V 电源连接至 5V 时，需要提升模拟电压。33 kΩ 和 17kΩ 电阻设定了运放的增益，从而在两端均使用满量程。11 kΩ 电阻限制了流回 3.3V 电路的电流。 技巧十五：3.3V→5V模拟补偿模块该模块用于补偿 3.3V 转换到 5V 的模拟电压。下面是将 3.3V 电源供电的模拟电压转换为由 5V电源供电。右上方的 147 kΩ、 30.1 kΩ 电阻以及+5V 电源，等效于串联了 25 kΩ 电阻的 0.85V 电压源。这个等效的 25 kΩ 电阻、三个 25 kΩ 电阻以及运放构成了增益为 1 V/V 的差动放大器。0.85V等效电压源将出现在输入端的任何信号向上平移相同的幅度；以 3.3V/2 = 1.65V 为中心的信号将同时以 5.0V/2 = 2.50V 为中心。左上方的电阻限制了来自 5V 电路的电流。 技巧十六：5V→3.3V有源模拟衰减器此技巧使用运算放大器衰减从 5V 至 3.3V 系统的信号幅值。要将 5V 模拟信号转换为 3.3V 模拟信号，最简单的方法是使用 R1:R2 比值为 1.7:3.3 的电阻分压器。然而，这种方法存在一些问题。1）衰减器可能会接至容性负载，构成不期望得到的低通滤波器。2）衰减器电路可能需要从高阻抗源驱动低阻抗负载。无论是哪种情形，都需要运算放大器用以缓冲信号。所需的运放电路是单位增益跟随器 （见图 16-1）。 电路输出电压与加在输入的电压相同。为了把 5V 信号转换为较低的 3V 信号，我们只要加上电阻衰减器即可。 如果电阻分压器位于单位增益跟随器之前，那么将为 3.3V 电路提供最低的阻抗。此外，运放可以从3.3V 供电，这将节省一些功耗。如果选择的 X 非常大的话， 5V 侧的功耗可以最大限度地减小。如果衰减器位于单位增益跟随器之后，那么对 5V源而言就有最高的阻抗。运放必须从 5V 供电，3V 侧的阻抗将取决于 R1||R2 的值。技巧十七：5V→3.3V模拟限幅器在将 5V 信号传送给 3.3V 系统时，有时可以将衰减用作增益。如果期望的信号小于 5V，那么把信号直接送入 3.3V ADC 将产生较大的转换值。当信号接近 5V 时就会出现危险。所以，需要控制电压越限的方法，同时不影响正常范围中的电压。这里将讨论三种实现方法。1. 使用二极管，钳位过电压至 3.3V 供电系统。2. 使用齐纳二极管，把电压钳位至任何期望的电压限。3. 使用带二极管的运算放大器，进行精确钳位。进行过电压钳位的最简单的方法，与将 5V 数字信号连接至 3.3V 数字信号的简单方法完全相同。使用电阻和二极管，使过量电流流入 3.3V 电源。选用的电阻值必须能够保护二极管和 3.3V 电源，同时还不会对模拟性能造成负面影响。如果 3.3V 电源的阻抗太低，那么这种类型的钳位可能致使3.3V 电源电压上升。即使 3.3V 电源有很好的低阻抗，当二极管导通时，以及在频率足够高的情况下，当二极管没有导通时 （由于有跨越二极管的寄生电容），此类钳位都将使输入信号向 3.3V 电源施加噪声。 为了防止输入信号对电源造成影响，或者为了使输入应对较大的瞬态电流时更为从容，对前述方法稍加变化，改用齐纳二极管。齐纳二极管的速度通常要比第一个电路中所使用的快速信号二极管慢。不过，齐纳钳位一般来说更为结实，钳位时不依赖于电源的特性参数。钳位的大小取决于流经二极管的电流。这由 R1 的值决定。如果 VIN 源的输出阻抗足够大的话，也可不需要 R1。 如果需要不依赖于电源的更为精确的过电压钳位，可以使用运放来得到精密二极管。电路如图 17-3所示。运放补偿了二极管的正向压降，使得电压正好被钳位在运放的同相输入端电源电压上。如果运放是轨到轨的话，可以用 3.3V 供电。 由于钳位是通过运放来进行的，不会影响到电源。运放不能改善低电压电路中出现的阻抗，阻抗仍为R1 加上源电路阻抗。技巧十八：驱动双极型晶体管在驱动双极型晶体管时，基极 “驱动”电流和正向电流增益 （Β/hFE）将决定晶体管将吸纳多少电流。如果晶体管被单片机 I/O 端口驱动，使用端口电压和端口电流上限 （典型值 20 mA）来计算基极驱动电流。如果使用的是 3.3V 技术，应改用阻值较小的基极电流限流电阻，以确保有足够的基极驱动电流使晶体管饱和。 RBASE的值取决于单片机电源电压。公式18-1 说明了如何计算 RBASE。 如果将双极型晶体管用作开关，开启或关闭由单片机 I/O 端口引脚控制的负载，应使用最小的 hFE规范和裕度，以确保器件完全饱和。 3V 技术示例： 对于这两个示例，提高基极电流留出裕度是不错的做法。将 1mA 的基极电流驱动至 2 mA 能确保饱和，但代价是提高了输入功耗。技巧十九：驱动N沟道MOSFET晶体管在选择与 3.3V 单片机配合使用的外部 N 沟道MOSFET 时，一定要小心。MOSFET 栅极阈值电压表明了器件完全饱和的能力。对于 3.3V 应用，所选 MOSFET 的额定导通电阻应针对 3V 或更小的栅极驱动电压。例如，对于具有 3.3V 驱动的100 mA负载，额定漏极电流为250 μA的FET在栅极 - 源极施加 1V 电压时，不一定能提供满意的结果。在从 5V 转换到 3V 技术时，应仔细检查栅极- 源极阈值和导通电阻特性参数，如图 19-1所示。稍微减少栅极驱动电压，可以显著减小漏电流。 对于 MOSFET，低阈值器件较为常见，其漏－源电压额定值低于 30V。漏－源额定电压大于 30V的 MOSFET，通常具有更高的阈值电压 （VT）。 如表 19-1 所示，此 30V N 沟道 MOSFET 开关的阈值电压是 0.6V。栅极施加 2.8V 的电压时，此MOSFET 的额定电阻是 35 mΩ，因此，它非常适用于 3.3V 应用。 对于 IRF7201 数据手册中的规范，栅极阈值电压最小值规定为 1.0V。这并不意味着器件可以用来在1.0V 栅 - 源电压时开关电流，因为对于低于 4.5V 的VGS （th），没有说明规范。对于需要低开关电阻的 3.3V 驱动的应用，不建议使用 IRF7201，但它可以用于 5V 驱动应用。
作者：贸泽电子Mark Patrick 无刷直流（BLDC）电机已经广泛应用于家用电器、工业设备和汽车等领域。相对于传统有刷电机，虽然无刷直流电机能够提供更可靠和免维护的替代方案，但却需要更复杂的电子...
一、分压式偏置放大电路 放大电路静态工作点不稳定的原因： （1）温度影响（2）电源电压波动（3）元件参数改变 什么是分压式偏置电路 分压式偏置电路是一种更为复杂的电路，它使用两个电阻器将电源电压分压，然后将分压后的电压加到放大器的基极上，这种电路的优点是稳定向好 ????查看更多目录???? 分压式电路组成 Rb1是上偏置电阻，Rb2是下偏置电阻 电源电压经Rb1、Rb2串联分压后为三极管提供基极电压VBQ Re起到稳定静态电流的作用，Ce是Re的交流信号旁路电容 电路分析 B点的电流方程为：I1=I2+Ibq 温度t升高—>ICQ增大—>IEQ增大—>VEQ增大—>VBEQ降低—>IB减小—>ICQ下降 估算静态工作点 二、多级放大电路 什么是多级放大电路 单级放大电路的电压放大倍数一般可以达到几十倍，然而，在许多场合，这样的放大倍数是不够用的，常需要把若干个单管放大电路串接起来，组成多级放大器，把信号经过多次放大，从而得到所需的放大倍数 多级放大器耦合 多级放大器中每个单管放大电路称为“级”，级与级之间的连接称为耦合 常用的耦合方式有以下三种：阻容耦合、变压器耦合、直接耦合 级间耦合必须满足以下两个 基本要求： （1）保证前级输出信号能顺利地传输到后级，并尽可能地减小功率损耗和波形失真 （2）耦合电路对前、后级放大电路的静态工作点没有影响 阻容耦合基本电路与放大倍数 变压器耦合多级放大电路 利用变压器初次级线圈之间具有“隔直流耦合交流”的作用，使各级放大器的工作点相互独立，而交流信号能顺利输送到下一级，就称为变压器耦合 利用变压器耦合可以实现阻抗匹配或阻抗变换 直接耦合多级放大电路 直接耦合放大器前后级之间没有隔直流的耦合电容或变压器，因此适用于放大直流信号或变化极其缓慢的交流信号 三、差动放大电路 什么是差分放大电路 差分放大电路又称为差动放大电路，当该电路的两个输入端的电压有差别时，输出电压才有变动，因此称为差动 差分放大电路是模拟集成运算放大器输入级所采用的的电路形式，差分放大电路是由对称的两个基本放大电路，通过射极公共电阻耦合构成的，对称的意思就是说两个三极管的特性都是一致的，电路参数一致，同时具有两个输入信号 差模信号、共模信号、 从一个系统的一对输入端看，若信号的极性相反（同样，电流的方向相反），这样的信号为差模信号若信号的极性相同（同样，电流的方向也相同），这样的信号称为共模信号差模又称串模，指的是两根线之间的信号差值；共模噪声又称对地噪声，指的是两根线分别对地的噪声所有的抗干扰措施都是针对共模噪声的 零点漂移 当放大电路输入信号为零时，由于受温度变化，电源电压不稳等因素的影响，使静态工作点发生变化，并被逐级放大和传输，导致电路输出端电压偏离原固定值而上下漂动的现象。它又被简称为：零漂主要原因： （1）温度变化（温漂） （2）电源波动 典型电路：差分放大电路 电路工作原理 在理想对称的情况下： 1.克服零点漂移； 2.零输入零输出； 3.抑制共模信号； 4.放大差模信号； 抑制共模信号 共模信号：数值相等、极性相同的输入信号 如 T(℃)↑→IC1↑IC2↑→UE↑→ IB1↓IB2↓→IC1↓IC2↓ 抑制了每只差分管集电极电流、电位的变化 放大差模信号 差模信号：数值相等，极性相反的输入信号 … KCMR 差分放大电路抑制共模信号及放大差模信号的能力，常用共模抑制比来衡量：放大器对差模信号的电压放大倍数Aud与对共模信号的电压放大倍数Auc之比，称为共模抑制比 在实际应用信号源需要有“接地”点，以避免干扰； 或负载需要有“接地”点，以安全工作； 四、互补输出级 输出级的要求：带负载能力强、直流功耗小、最大不失真输出电压 什么是互补对称输出级 集成运放的输出级采用的是互补对称输出级，互补对称输出级一定是射极输出器，即：共集电极接法 T1为NPN管，T2为PNP管 要求：两只管子参数相同，特性对称 共集电极接法 提升带负载能力 基本电路组成与工作原理 (1)特征：T1、T2特性理想对称 (2)静态时T1、T2均截止，UB= UE=0，uo = 0v (3)动态分析ui正半周，电流通路为+VCC→T1→RL→地，uo=ui-0.7≈ui，uo = ui ui>0→T2截止，ui>0.7v→T1导通 ui<0→T1截止，ui<-0.7v→T2导通 T1,T2管子交替工作，两路电源交替供电，双向跟随 集成运放的组成 电路由输入级、中间级、输出级构成 输入级采用差动放大器，中间级由一般放大器构成，输出级多为功率输出器，偏置电路则由电流源组成 若将集成运放看成为一个“黑盒子”，则可等效为一个双端输入、单端输出的差分放大电路 交越失真 输入信号很小时，达不到三极管开启电压，三极管不导电 因此在正、负半轴交替过零处会出现一些非线性失真，这个失真称为交越失真非线性失真亦称波形失真、非线性畸变，表现为输出信号与输入信号不成线性关系 消除交越失真的方法：选择合适的静态工作点 消除交越失真 选择合适的Q点，减小动态损失，避开死区电压区，使每一晶体管处于微导通状态，一旦加入输入信号，使其马上进入线性工作区 静态时，有一个回路（蓝色），首先让两只二极管导通，那么可以通过调整R1R2来调整回路电流，使得两只二极管导通电压加起来（b1b2之间的电压）刚好是T1、T2开启电压，或者稍微大一些 动态时，D1、D2等效为两个很小的电阻，由于RL从输入回路看阻值为原来的（1+β)倍，D1、D2的阻 值可忽略不计（ui为负时，只会减小流过D1的电流，但由于它非常小，可以忽略不计） 准互补输出级 为保持输出管的良好对称性，输出管应为同类型晶体管（T2和T4） 这种输出管为同一类型管的电路称为准互补输出电路。常用作功率放大，也称OCL电路 总结 1、（1）三极管的放大条件是什么？ （2）三极管正常导通时硅管VBE和锗管VBE的导通电压分别时多是？ （3）三极管输出特性是反应那两个量之间的关系？ 2、（1）共发射极放大电路用于多级放大电路的那一级？ （2）共集电极放大电路电压放大倍数和电流放大各有什么特点？ （3）共基极放大电路主要用于那些场合？ 3、固定偏置放大电路中，出现饱和失真和截至失真的原因是什么？ 4、放大电路静态工作点不稳定的原因是什么？ 5、（1）多级放大电路一般由那几部分组成？ （2）多级放大器耦合方式有那几种？ 6、（1）什么是差模信号？ （2）零点漂移的原因是什么？ （3）差分放大器理想对称情况下有什么有点呢，比如克服零点漂移，还有那几个优点呢？ 题1 1.三极管这个厂放大信号：发射结应加正向电压，集电结应加反向电压 2.硅管VBE的导通电压约为0.7V，锗管VBE的导通电压约为0.3V 3.三极管输出特性反应了输入电压和输出电流之间的关系题2 1.共发射极放大电路用于多级放大电路的中间级 2.只有电流放大作用，无电压放大作用，输入电阻大，输出电阻小，常用作实现阻抗匹配或作为缓冲电路来使用，也可作为多级放大器的输出级 3.共基极放大电路主要用于高频放大器、高频振荡器、宽频带放大器题3 饱和失真的原因是输入信号过大，使得三极管处于饱和状态；截至失真的原因是输入信号过小，使得三极管处于截至状态题4 温度影响、电源电压波动、元件参数改变题5 1.输入级、中间级、输出级 2.阻容耦合、变压器耦合、和直接耦合题6 1.从一个系统的一对输入端看，若信号的极性相反（同样，电流的方向相反） 差模又称串模，指的是两根线之间的信号差值；而共模噪声又称对地噪声，指的是两根线分别对地的噪声；所有的抗干扰措施都是针对共模噪声的2.温度变化、电源被动 当放大电路输入信号为零时，由于受温度变化，电源电压不稳等因素的影响，使静态工作点发生变化，并被逐级放大和传输，导致电路输出端电压偏离固定值而上下漂动现象 3.克服零点漂移、抑制共模信号、放大差模信号、零输入零输出
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